Mit dem Laser zum Mond

"That's one small step for a man – one giant leap for mankind". 1969 kommentiert der erste Mensch auf dem Mond, der US-Astronaut Neil Armstrong, seinen Ausstieg aus der Landefähre Eagle lapidar mit diesen Worten, übersetzt lauten sie: "Das ist ein kleiner Schritt für einen Menschen – ein großer Sprung für die Menschheit."
Die Mondmission Apollo 11 hatte seinerzeit eine wichtige Ladung auf den Mond gebracht: Winkelreflektoren. Es handelt sich dabei um eine Art Katzenauge, d.h. ein Spiegelprisma, das die einfallende Strahlung in die gleiche Richtung zurückreflektiert, aus der sie kam. Die folgenden Fotos zeigen solche Winkelreflektoren auf dem Mond.


1969: Der erste Winkelreflektor auf dem Mond (Credit: NASA, Apollo 11)


Winkelreflektor aus der Nähe (Credit: NASA, Apollo 15)

Nach Apollo 11 brachten die nachfolgenden Missionen Apollo 14 und 15 weitere Winkelreflektoren und auch die russischen Mondrover Lunokhod 1 und 2 haben sie auf dem Begleiter der Erde hinterlassen. Die folgende Karte der uns stets zugewandten Mondseite zeigt die Standorte all dieser Winkelreflektoren.


Standorte aller Winkelreflektoren auf dem Mond (Credit: Williams und Dickey, JPL: Lunra Geophysics, Geodesy, and Dynamics, 2002)

Die Winkelreflektoren erfüllen eine wissenschaftliche Funktion, seitdem sie vor fast vier Jahrzehnten auf dem Mond ausgesetzt wurden. Denn mit ihrer Hilfe kann man sehr elegant die Entfernung zu unserem Begleiter messen (engl. Lunar Ranging). Das geht so: Die Wissenschaftler befestigen einen Laser auf der Montierung eines Teleskops. Der Laser zeichnet sich dadurch aus, dass er gebündeltes, sehr kohärentes Licht einer sehr scharfen Wellenlänge (Farbe) liefert. Anfangs kamen Rubinlaser, später Nd:YAG-Laser zum Einsatz. Das Laserlicht ist gepulst, d.h. Laserlicht wird nur für eine Zeit von 100 Pikosekunden (0,1 Milliardstel Sekunden) "gefeuert". Somit ist die Lichtwelle nur 2,5 Zentimeter lang (Weblink 1).

Mit dem Laser peilt man nun die Winkelreflektoren auf dem Mond an. Das klingt leichter als es ist, denn man muss einen Spiegel dort treffen, wo er in 1,25 Sekunden sein wird, wobei man ihn sieht, wo er vor 1,25 Sekunden war. Im Prinzip müssen die Laserschützen etwa 50 Kilometer daneben zielen um zu treffen. Eine weitere Komplikation: Der Standort des Schützen schwankt durch die Gezeitenkräfte. So sieht der Abschuss des Lasers aus.


Mond im Visier eines Laserstrahls (Credit: APOLLO in 2006, Website Tom Murphy)

Der Laserstrahl ist zwar recht scharf gebündelt, aber dennoch weitet er sich bei der Ankunft auf der Mondoberfläche so weit auf, dass der Lichtkegel einen Durchmesser von etwa sieben Kilometern hat. Hier treffen einige Lichtteilchen des Lasers auf einen Winkelreflektor und werden reflektiert. Das Laserlicht tritt nun seinen Weg zurück zum irdischen Teleskop an. Dort wartet ein hochempfindlicher Lichtdetektor (CCD-Kamera), um sie zu empfangen. Bei der Ankunft auf der Erdoberfläche hat sich das Laserlicht abermals zu einem etwa 20 Kilometer breiten Lichtkegel ausgeweitet (Weblink 2). Dennoch reicht die abgeschwächte Intensität des reflektieren Laserlichts, dass man es messen kann. Zur eindeutigen Identifikation des Laserlichts dient die bekannte scharfe Wellenlänge.

Die aktuelle Präzision ist frappierend: mit dem Experiment APOLLO (jetzt als Akronym für Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation, siehe Publikation von Murphy et al. 2007) können Wissenschaftler die zwischen 363.000 und 405.000 Kilometern schwankende Entfernung (im Mittel 384.000 Kilometer) bis auf einen Millimeter genau messen! Es sei angemerkt, dass Licht einen Millimeter in 3,3 Pikosekunden zurücklegt. Diese Genauigkeit erlaubt sehr detaillierte Untersuchungen des Mondes, die z.B. den Mondorbit, Mondbeben und das Mondinnere, die Hebung und Senkung der Mondoberfläche durch Gezeitenkräfte, seine Rotation oder die Variabilität der Mondentfernung betreffen. Mit diesen Messmethoden folgt auch die allmähliche Entfernung des Mondes von der Erde um etwa 3,8 Zentimeter pro Jahr (Quelle). Der Grund dafür ist die so genannte Gezeitenreibung, die bewirkt, dass sich die Erdrotation um ihre eigene Achse stetig verlangsamt, also der Erdtag immer länger wird. Aufgrund der Drehimpulserhaltung muss deshalb auch die Entfernung Erde-Mond stetig zunehmen.

Die Winkelreflektoren sind meines Erachtens der beste Beweis dafür das die Verschwörungstheorie "Die Mondladung war eine Lüge" Nonsens ist. Die Verwendung der Reflektoren auf unserem Trabanten schon kurz nach der Landung (am 1. August 1969 mit Nutzung des Lick-Observatoriums, kurz danach mit dem McDonald-Observatorium) falsifiziert sehr einsichtig diese spinnerte Idee.

Im nächsten Blog post demonstriere ich, weshalb die Laser-Experimente am Mond bedeutsam für den LHC sind.

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Die Astronomie ist faszinierend und schön – und wichtig. Diese interdisziplinäre Naturwissenschaft finde ich so spannend, dass ich sie zu meinem Beruf gemacht habe. Ich bin promovierter Astrophysiker und befasse mich in meiner Forschungsarbeit vor allem mit Schwarzen Löchern und Allgemeiner Relativitätstheorie. Aktuell bin ich der Scientific Manager im Exzellenzcluster Universe der Technischen Universität München. In dieser Tätigkeit im Forschungsmanagement koordiniere ich die interdisziplinäre, physikalische Forschung in einem Institut mit dem Ziel, Ursprung und Entwicklung des Universums als Ganzes zu verstehen. Besonders wichtig war mir schon immer eine Vermittlung der astronomischen Erkenntnisse an eine breite Öffentlichkeit. Es macht einfach Spaß, die Faszination am Sternenhimmel und an den vielen erstaunlichen Dinge, die da oben geschehen, zu teilen. Daher schreibe ich Artikel (print, online) und Bücher, halte öffentliche Vorträge, besuche Schulen und veranstalte Lehrerfortbildungen zur Astronomie, Kosmologie und Relativitätstheorie. Ich schätze es sehr, in meinem Blog "Einsteins Kosmos" in den KosmoLogs auf aktuelle Ereignisse reagieren oder auch einfach meine Meinung abgeben zu können. Andreas Müller

11 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Falscher Anti-Hoax-Beweis

    Bitte die Laser-Retroreflektoren nicht als Beweis für die Apollo-Landungen einbringen, wenn man mit Hoaxologen diskutiert: Auch die robotischen Lunochods hatten welche dabei, und der von Lunochod wird sogar heute noch benutzt.

    Es wäre den USA mithin ein Leichtes gewesen, Reflektoren mit unbemannten Landern auf dem Mond abzusetzen, die man vor den Apollo-Starts auf den Weg brachte (oder die Saturn-V-Raketen trugen in Wirklichkeit solche Lander): Weiche Landungen beherrschte man ja schon eine Weile.

    Naturwissenschaftliche Belege für die Echtheit der Apollo-Missionen funktionieren besser über astronomische Beobachtungen der Raumschiffe unterwegs, den unabhängigen Empfang der Funksignale vom Mond Sekunden bevor sie der TV-Zuschauer hörte oder Eigenheiten des Mondgesteins und seine große Menge im Vergleich mit den Proben der Luna-Missionen.

  2. Ein überaus informativer Bericht!

    Aus der Messmethode und insbesondere aus der Auswertung lässt sich ableiten,
    mit welchen systematisch bedingten Abweichungen und Korrekturen im Messvorgang gerechnet worden ist. Dies schliesst weitere Zusatzmessungen ein, z.B. auch meteorologische
    Daten am Ort des Lasers als auch am Ort des Lichtsensors entlang der Lichtwegstrecke und vieles mehr – ein wirklich hochinteressanter Messvorgang. Das Erreichen einer mm-Genauigkeit ist sicher auch von Bedeutung für sensible
    Tests der ART u. SRT sowie deren Interpretationen. Ich möchte mich damit noch weiter beschäftigen, weil ein akutes Problem (LHC – Gefahrenverdacht)
    damit grundsätzlich diskutiert werden kann – als fachwissenschaftlicher Laie will ich mich einer verifizierten Mehrheitsmeinung anschliessen, es sei denn, diese würde durch eine belegte Falsifikation in Frage gestellt werden.

  3. Mit dem Laser zum Mond

    Moonblinks und LASER
    Bei der Überlegung, von welcher Natur Leuchterscheinungen auf dem Mond sein könnten, stellt sich mir die Frage, ob nicht ein Teil davon, nämlich die sog. Moonblinks (lunar transients), irdischen Ursprungs sein könnten. Kurzwellenamateure benutzen ja bekanntlich den Erdtrabanten als Reflektor, ohne dass dabei jemand auf die Idee käme, es mit Funksprüchen lunaren Ursprungs zu tun zu haben.
    Schon 1962 gab es in den USA von Smullin und Fiocco ein erstes Experiment mit einem Laser-Strahl, der auf die unbeleuchtete Hälfte des Mondes gerichtet wurde. Bei dem in Sterne und Weltraum 5/88 auf Seite 181 geschilderten und fotografierten Lichtblitzes beträgt die Helligkeit o,84 des Mondrandes.
    Werden solche Experimente
    durchgeführt, und mit welcher abgegebenen Leistung ?
    Zu fragen wäre auch noch nach der Farbe der Moonblinks?
    Die Frequenz ließe dann auf die Bauart des Lasers schließen.
    Zumindest erfüllt die Erklärung durch einen Laserblitz die in SuW 5/88, Seite 181 geschilderten Bedingungen:
    1. die kurze Dauer des Geschehens,
    2. die große Intensität,
    3. die unmittelbare Nähe zur Mondoberfläche und
    4. die Abwesenheit einer Staubwolke auf den folgenden Aufnahmen.

  4. LLR-Resultate -gute Falsifikationsbasis!

    Hallo Frau Carone und Herr Dr. Müller,

    es zählt die Wirklichkeit, was ich als sehr beruhigend empfinde; meine Meinung zählt allenfalls im Falle von Bestätigung. Selten ist es auch besser, sich zu irren.

    Hier möchte ich bitte nur gerne Sachargumente zu tauschen, damit mein persönliches Bild von der physikalischen Wirklichkeit mit dieser möglichst gut und schnell übereinstimmend gemacht werden kann. Helfen Sie mir, bitte.

    Ich freue mich sehr, dass Sie inhaltlich auf meine Fragestellung eingehen wollen (mein Eintrag 15.07.2008 | 07:07). Im ScienceBlog sehe ich gerade, dass Sie, Frau Carone, mit Planetologie befasst sind; für mich gilt, dass ich mit Landmessung beruflich zu tun hatte. Vielleicht verkürzt dieses Hintergrundwissen den Dialog. – Ranging möchte ich allgemein mit Streckenmessung übersetzen.

    Mit „innerer Genauigkeit“ wird die Standardabweichung bezeichnet, die bei Wiederholungsmessungen mit konstant gehaltenen Versuchsbedingungen durch Mittelbildung (Ausgleichung) berechenbar ist. Die äußere Genauigkeit ergibt sich erst bei Varierung der Versuchsbedingungen, z.B. Wechsel des Messinstrumentariums, bis zum Wechsel der kompletten Messmethode, was detailliert und vollständig dokumentiert zu einer Messbeschreibung bzw. zum Modell hinzugehört.

    Beim LLR ist davon auszugehen, dass die Raumdilation (Raumdilation nach Rössler u.a.) im Berechnungsmodell des LLR von vornherein nicht enthalten ist (entspricht den bisherigen Feststellungen von Hr. Dr. Müller).

    Aufgrund der Exzentrizität der Mondbahn wird der – mittels der von Rössler angegebenen Formel – von Hr. Dr. Müller angegebene Wert von 263 mm für eine hypothetische Raumdilation geringfügig varieren, je nachdem Mondferne oder Mondnähe zum Zeitpunkt der Messung gegeben ist. (Die Formel steht in einem Lehrbuch von J. Foster und J.D. Nightingale von 2006 , “A Short Course in General Relativity“ im Springer-Verlag, auf Seite 130 gleicherweise angezeigt, Formel (4.9) )

    Hier besteht in der Tat eine für mich nachvollziehbare, grundlegende Gelegenheit, das LLR-Ergebnis zur Widerlegung des Rösslerschen Theorems wahrzunehmen !

    Verständlich wird für mich, wenn sich maximale Abweichungen der LLR-Ergebnisse zu seinem eigenen Berechnungsmodell bzgl. Messungen während Perigäums- und Apogäums-Zeiten des Mondes n i c h t zeigen (wie sehen diesbzgl. die LLR-Ergebnisse aus ?)

    Im wesentlich wirkt beim LL Ranging m.E. die hier zu falsifizierende Streckendilation additiv, rechnerisch genauso additiv wie die Additionskonstante, die sich aus den Spiegelbemaßungen (Glasbemaßungen des Prismenkörpers) ergibt, sich auswirkt – gleich ob methodisch physikalisch die Phasenverschiebung oder wie beim LLR die Lichtlaufzeit als Messgrundlage benutzt wird.

    Welcher wohldefinierte Punkt, ggflls. Fläche, in oder an der Spiegelgruppierung als Referenzpunkt (Endpunkt der zu messenden Strecke /Monddistanz) definiert ist, bestimmt
    die additiv wirkende Reflektorkonstante (eine Länge). Welchen genauen Referenzpunkt(/-fläche) der Beobachter definiert, ist grundsätzlich gleich, nur der Referenzpunkt muß fix sein und die Definition darf nicht varieren (eine evtl. Vermarkung auf der Mondoberfläche wird dazu einen dokumentierten, geometrisch bestimmten Bezug haben). Nahezu dieselbe Auswirkung wie die Spiegelkonstante hat ein fixer Anteil der Raumdilation – zum Zeitpunkt der Mondnähe (weil sie dann an anderen Stellen der anderswo weiter ausholenden Mondbahn nicht mehr kleiner werden kann) – nach der oben beschriebenen Formel.

    Die Berechnung von Herrn Müller habe ich für eine mittl. Distanz von 384400 km und
    für einen Erdradius von 6371 km wiederholt und komme (wg. leicht differenter Ausgangswerte) auf 259 mm für den Hin- und Rückweg. Für das Mondperigäum erhalte ich 239 mm und für das Apogäum 275 mm.

    Frage an Herrn Dr. Müller bitte, gibt es evtl. Restresiduen in den Monddistanzen der LLR-Resultate, insbesondere zu Zeiten der Mondnähe/-ferne ?

    Für die LLR-Messungen fallen n i c h t die genannten 239 mm (Mondnähe) auf, weil diese nie unterschritten werden und nicht im Berechnungs- und Ausgleichungskonzept modelliert
    worden sind. Hingegen: Der variable Anteil von 239 mm bis 275 mm, also bei einer Intervallbreite von ca. 36 mm, müsste bei den Restabweichungen / Residuen der LLR-Resultate jedoch deutlich werden. Dies wäre, bitte, einmal zu klären.

    Angesichts der extrem hohen, offenbar als inneren Genauigkeit zu deutenden Präzision von ca. 1 mm des LLR (also nicht mehr weit entfernt von einem Billionstel relativer Genauigkeit) wäre über die Restabweichungen der LLR-Messwerte (Abweichungen zum LLR-Rechenmodell) sogar ein interessanter statistischer Test möglich, wie ich meine.

    Daher bitte ich um Bestätigung, dass in den LLR-Resultaten k e i n e Beobachtungsreste bzw. Residuen entsprechend den hier bekannt gemachten Werten (bis zu 36 mm also) bestehen.

    Ich grüsse Sie herzlich und freue mich, mit Ihnen zusammen, evtl. dazu beitragen zu dürfen, bald eine doch quälende Diskussion abschliessen zu können – möge die Wirklichkeit bestätigt und erkannt werden! (Ich finde es phantastisch, dass wir hier nur über etwa wenige Billionstel reden, was nicht unwichtig zu sein scheint.)

    Rudolf Uebbing, 17.07.2008

  5. LLR-Resultate=gute Falsifikationsbasis!

    Hallo Frau Carone und Herr Dr. Müller,

    leider habe ich eben nur eine Antwort
    und eine Fragestellung
    im Nachbarblog zu den Mondentferungsmesssungen, anlegen können – es gab ein technisches Problem beim Anlegen des Textes (in diesem Blog hier).

    Es grüßt Rudolf Uebbing

  6. Laserstärke

    Hallo,

    ich beschäftige mich gerade auch mit Lasern, jetzt frage ich mich wie stark der Laser ist, der dort verwendet wird ? würde mich jetzt mal interessieren weiß das zufällig Jemand ? .

  7. Zusammenhang von Erd-Achsdrehung

    Guten Tag Herr Müller,

    Ich verstehe nicht ganz den Zusammenhang von Erd-Achsdrehung und Mondumlaufbahn-Geschwindigkeit.

    Sie schreiben:

    …Der Grund dafür ist die so genannte Gezeitenreibung, die bewirkt, dass sich die Erdrotation um ihre eigene Achse stetig verlangsamt, also der Erdtag immer länger wird. Aufgrund der Drehimpulserhaltung muss deshalb auch die Entfernung Erde-Mond stetig zunehmen.

    Frage: Drehimpuls… meinen Sie den von Erde und Mond, die sich um einen gemeinsamen Schwerpunkt drehen? (1x/30 Tage) Was hat dieser Drehimpuls zu tun mit dem Drehipmuls der Erddrehung um die eigene Achse die sich stetig verlangsamt?

    Freundliche Grüsse

    Philipp Hofer

  8. Abstand Erde – Mond

    Der Abstand Mond-Erde ist gegeben durch die Masse der Erde und die Orbitgeschwin-digkeit des Mondes. Zum Verschieben entgegen der Schwerkraft ist Energie und nicht Drehmoment erforderlich. Da der Mond offenbar von der Erde stammt, hat er auch die Drehimpulse der Erde mitge-nommen. Die Orbitgeschwindigkeit des Mondes ist demnach die Äquatorgeschwin-digkeit der Urerde vor 4 Ga. Damit er-rechnet sich eine Erdrotation von etwa 9,3 h vor 4 Ga. Während der Mond weiterhin mit ca 1 km/s läuft, verlor die Erde an Drehgeschwindigkeit bis auf 0,46 km/s, also fast 80 % ihrer Rotationsenergie durch Gezeitenreibung.

  9. na ja

    Diese Reflektoren sind keineswegs ein Beweis gegen die Mondlandungslüge, weil das Verfahren eben ohne solche Reflektoren genau so funktionieren würde, und zwar GANZ EXAKT GENAU SO..
    Das Mondgestein spiegelt Licht schließlich auch zurück – nur halt nicht so viel – was aber nichts ausmacht, wenn mann entsprechend viele Photonen hinsendet.

    Ansonsten stehen auf Wikipedia einige Fakten etwas anders als bei dir, zb dass nur 0,7 Lichtteilchen zurückkommen – du sprichst von mehreren.

  10. Der Laser ist ein guter Beweis dafür, dass es weder diese Reflektoren noch die Mondlandung gegeben haben kann. Was Sie da erzählen ist komplett unmöglich. Aber um das zu erkennen, müßte man selbst nachdenken und nicht jeden Unsinn glauben, der uns von der „Wissenschaft“ vorgesetzt wird.

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